具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

基于上述问题，本发明意在设计一种基于光反射的具有飞秒-纳秒时间分辨率的、及时响应的二维半导体材料中的光生载流子的全光学探测系统，该系统包括：二极管激光器、钛宝石激光器、光纤连续激光器、倍频晶体(BBO)、机械斩波器、机械位移平台、显微物镜、滤波片、光电探测器和锁相放大器，该系统还可以包括相机。

二极管激光器作为泵浦源输出532纳米的连续激光，输出功率为10瓦，连续激光被用于激发钛宝石激光器，钛宝石激光器可以输出650nm到950nm范围内的脉冲激光(在通入氮气的条件下可以改变输出激光的波长范围)，输出功率在2瓦左右。钛宝石激光器通过锁模产生100fs、重复频率为80MHz的激光脉冲，两束激光脉冲之间的时间间隔约为13纳秒。激光脉冲的带宽是连续可调的，一般情况下保持在10nm左右，脉冲激光光源模块如图1所示。

钛宝石激光器的出射激光将被分束镜(1)分成两束，分别用于激发倍频晶体(BBO)和光纤连续激光器。其中光纤连续激光器能够产生较宽的输出波长范围，因此被广泛的应用于超快激光泵浦探测系统，其产生的激光波长会随着激发波长的变化而变化，范围在390到1050纳米之间；而倍频晶体，则是将输入激光的频率翻倍，从而满足实验特定波长的需求，倍频晶体可以根据实验的需求放置于实验系统中的任意位置。由倍频晶体(BBO)和光纤连续激光器所产生的激光将分别被用作泵浦激光和探测激光，如图2所示。其中泵浦激光用于激发样品产生载流子；而探测激光的频率则被调节至和样品激子态能量所对应的频率一致，所以经过样品反射的探测信号便携带了处于该激子能态的载流子密度的“信息”。

倍频晶体(BBO)输出的激光被输入到机械斩波器，机械斩波器输出的泵浦激光通过显微物镜后到达样品。引入机械斩波器，可产生差分反射信号。机械斩波器的作用是以2KHz的频率旋转，其扇叶将不断斩断泵浦激光，使泵浦激光时断时续；而探测激光则一直处于连续状态。此时，探测激光的反射光在没有泵浦激光激发二维半导体材料时的反射信号为R₀，在有泵浦激光激发二维半导体材料时的反射信号为R，从而形成差分反射信号ΔR/R₀＝(R-R₀)/R₀。

光纤连续激光器输出的探测激光通过机械位移平台，通过线性位移改变了探测激光的光程，从而引入时间延迟，然后通过显微物镜后到达样品。在探测激光光路中引入机械位移平台：为了时间分辨的探测样品中处于激子能态的载流子密度的变化趋势，可以通过连续的改变泵浦激光和探测激光到达样品的时间差，让探测激光到达样品相对于泵浦激光到达样品要晚一些，即探测激光和泵浦激光之间存在时间延迟ΔT，随着探测激光到达样品的时间比泵浦激光越慢越多，经样品反射的探测信号就反映了载流子密度(处于和探测激光能量相对应的激子态)在被泵浦激光激发以后随着时间的变化。

样品的反射信号通过显微物镜和滤波片后到达光电探测器，样品的反射信号中泵浦激光被光电探测器前的滤波片滤去。光电探测器连接锁相放大器，锁相放大器连接机械斩波器。将样品的反射信号引入硅基光探测器，并将探测到的光信号转化为电信号，传入锁相放大器。其中，锁相放大器与机械斩波器相连，会根据机械斩波器的频率(2千赫兹)去分析测量得到的探测激光反射信号，并通过锁相得到泵浦激光和探测激光因为光程差而产生的相位差恒定时的探测激光反射信号R，然后人为的计算出差分反射信号(R-R₀)/R₀。计算差分反射信号好处是，能够除去环境光激发样品产生的信号，从而得到样品受到激光激发后，处于和探测激光能量相对应的激子态的载流子密度情况，即泵浦激光会将部分处于探测激光能量相对应的激子态的载流子激发至导带，从而减少和探测激光能量相对应的激子态的载流子密度，而和探测激光能量相对应的激子态的载流子密度的差值越大，差分反射信号就越强。

进一步地，1)使用的光源为二极管激光器，其产生的激光为532纳米的连续激光，其功率为10瓦；2)钛宝石激光器产生的激光带宽可以在50飞秒到80皮秒之间调节。

进一步地，倍频晶体(BBO)根据预定波长，选择使用或者不使用，且没有固定的位置。

进一步地，1)机械斩波器被至于泵浦激光光路中，用于产生时断时续的泵浦脉冲激光；2)反射信号R₀和R均为对反射的探测激光测量的信号，由探测器前的滤波片滤去了泵浦激光的信号。

进一步地，位移台通过线性位移改变了探测激光的光程，从而改变探测激光和泵浦激光到达样品的时间差ΔT。所述步骤五中1)锁相放大器(lock-in amplifier)则被用来处理光电探测器产生的电信号；2)泵浦激光和探测激光均通过显微物镜垂直汇聚在样品表面。

其中，如图2所示，在系统中还设置有相机，相机采集探测激光经样品反射后经过显微物镜后的反射光，以便观察样品，同时观察激光的焦点是否在样品表面。

如图2所示，该系统还包括光学器件1-8，其中，1-4为半透半反镜，5-8为反射镜。

钛宝石激光器输出的激光经过半透半反镜1到达光纤连续激光器和倍频晶体，倍频晶体输出的激光经过反射镜6到达机械斩波器，机械斩波器输出的激光经过反射镜7和半透半反镜2到达显微物镜；光纤连续激光器输出的激光经过机械位移平台后，经反射镜5、半透半反镜4、3、2到达显微物镜；样品的反射光经过显微物镜后，经半透半反镜2、3、4到达滤波片，经半透半反镜2、3、反射镜8到达相机。

本发明为经过实验验证，总结出的一种行之有效的探测系统。适用于二维尺度的半导体材料，利用超快激光飞秒级别的持续时间的特性，实现了半导体光生载流子的瞬态光学探测。该差分反射探测系统充分利用了钛宝石激光器产生的飞秒级别的脉冲激光，在飞秒—皮秒时间尺度下实现了对二维半导体材料中载流子动力学的探测；同时，由于采用全光学的探测手段，差分反射探测系统具有极强的普适性，是研究载流子动力学的理想工具。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。